摘要：為滿足金屬礦山生產(chǎn)信息的關(guān)聯(lián)性與共享性需求，加強(qiáng)對人員和裝備的安全管控，實現(xiàn)企業(yè)全面數(shù)字化管理水平，搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺。該平臺依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能感知、自動采集和存儲生產(chǎn)過程裝備數(shù)據(jù)和環(huán)境變量，規(guī)范化管理內(nèi)部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實現(xiàn)信息流在整個礦山企業(yè)范圍內(nèi)的無縫流轉(zhuǎn)與自動集成共享。同時，該平臺能夠?qū)ιa(chǎn)裝備數(shù)據(jù)、工藝流程進(jìn)行多角度、全方位的可視化的管理，從而實現(xiàn)整個礦山作業(yè)狀態(tài)的有效監(jiān)控和管理。根據(jù)平臺的應(yīng)用情況分析，該平臺的建設(shè)能有效提高礦山生產(chǎn)效率，優(yōu)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理能力，對金屬礦山生產(chǎn)管控全面智能化發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；金屬礦山；數(shù)據(jù)自動采集；工藝流程可視化

中圖分類號：TP391.48；TD672 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-00-05

Research and Application of Mining Digital Control Platform Based on Internet of Things

Abstract： To meet the demand for correlation and sharing of production information in metal mines， strengthen safety control of personnel and equipment， and achieve comprehensive digital management level of enterprises， a mining digital control platform based on the Internet of Things has been built. This platform relies on Internet of Things technology to intelligently perceive， automatically collect and store production process equipment data and environmental variables， standardize the management of internal system data interfaces and data transmission protocols， and achieve seamless flow and automatic integration and sharing of information flow throughout the entire mining enterprise. At the same time， the platform can provide multi-dimensional and comprehensive visualization management of production equipment data and process flow， thereby achieving effective monitoring and management of the entire mining operation status. Based on the analysis of the platform’s application situation， the construction of this platform can effectively improve mining production efficiency， optimize business data management capabilities， and is of great significance for the comprehensive intelligent development of metal mine production control..

Keywords： Internet of Things; metal mines; automatic data acquisition; process visualization

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展和國家礦山政策的出臺加快了信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，推動了傳統(tǒng)行業(yè)的全面轉(zhuǎn)型升級。依托于礦山規(guī)劃和國家長期發(fā)展戰(zhàn)略，我國金屬礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)形態(tài)和經(jīng)營狀況已有重大突破，礦山裝備、監(jiān)測、通信以及軟件系統(tǒng)的信息化建設(shè)逐步完善[1]。部分企業(yè)已完成通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)以及設(shè)備自動化控制系統(tǒng)等信息化建設(shè)，促使礦山企業(yè)的全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為必然發(fā)展趨勢[2-4]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在金屬礦山領(lǐng)域的數(shù)字化、智能化建設(shè)中至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，根據(jù)約定的協(xié)議將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接[5]，進(jìn)行信息的交換與通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控及管理的網(wǎng)絡(luò)[6]，并滿足礦山生產(chǎn)需求，推動礦山行業(yè)持續(xù)發(fā)展[7]。

金屬礦山生產(chǎn)場景復(fù)雜，不同的生產(chǎn)作業(yè)、工藝環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)密切，存在著生產(chǎn)信息不能充分共享和實時傳輸，不能及時展開生產(chǎn)跟蹤和控制等問題。在礦山建設(shè)過程中，生產(chǎn)信息流轉(zhuǎn)的延遲和較低的數(shù)據(jù)質(zhì)量將直接影響生產(chǎn)運營策略的調(diào)整。雖然礦山企業(yè)的信息化建設(shè)在逐漸完善，但是國內(nèi)礦業(yè)企業(yè)總體礦山數(shù)字化水平還相對較低[1]。部分礦山的生產(chǎn)自動化系統(tǒng)建設(shè)較為分散，運行和在建的自動化控制系統(tǒng)依然存在以下共性問題：一方面，自動化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集不完善，無法充分分析和利用數(shù)據(jù)，無法支持生產(chǎn)過程中高效管理；另一方面，各自動化控制系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃及自動化集成管控體系，難以全面發(fā)揮智能化技術(shù)和裝備于礦山生產(chǎn)高效結(jié)合的效果[8]。

該項目結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，針對礦山企業(yè)面臨復(fù)雜的作業(yè)場景需求，在數(shù)字化礦山建設(shè)理念的驅(qū)動下，開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺。該平臺旨在為礦山企業(yè)著重構(gòu)建了一個基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的礦山信息高效采集、傳輸及智能決策為一體的數(shù)字化礦山生產(chǎn)管控體系。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

20世紀(jì)末，美國麻省理工學(xué)院提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念，將互聯(lián)網(wǎng)和各種物理設(shè)備通過射頻識別等信息傳感設(shè)備相互連接[9-10]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和智能控制的技術(shù)，構(gòu)建一個可以實現(xiàn)智能化的網(wǎng)絡(luò)[11]。物聯(lián)網(wǎng)的核心是通過傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、計算系統(tǒng)，實時收集硬件設(shè)備的特征信息，實現(xiàn)設(shè)備之間的無縫連接和信息共享，將物理世界中的對象數(shù)字化，智能化的感知物體運行過程，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品與物品、人與物品、人與人之間的互聯(lián)[10]。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可分感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[12]。感知層由各種傳感器組成，包括探測器、攝像頭、智能設(shè)備等感知終端，感知層是物聯(lián)網(wǎng)與物理世界交互的橋梁，主要實現(xiàn)物體的識別與數(shù)據(jù)信息的采集。網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的中樞，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信和設(shè)備連接，并將感知層收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備或云平臺。網(wǎng)絡(luò)層主要采用各種通信技術(shù)，如無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等，實現(xiàn)不同設(shè)備與系統(tǒng)之間的連接與信息交互，接收并處理感知層的信息[13]，確保信息能夠安全、可靠地從源頭傳輸?shù)侥康牡亍?yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的頂層，充當(dāng)著物聯(lián)網(wǎng)與用戶之間的橋梁，使得用戶能夠訪問、控制及監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與系統(tǒng)，同時能夠根據(jù)用戶需求可以定制化開發(fā)，實現(xiàn)各種智能應(yīng)用場景與服務(wù)[14]。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 平臺總體架構(gòu)

采用微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺，并采用前后端分離的模式進(jìn)行開發(fā)。平臺后端框架采用Spring-Cloud、MyBatis-Plus、Java開發(fā)工具包（Java Development ToolKit，JDK）等核心技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，前端框架基于Vue、Node、Vite、Echarts等技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。平臺系統(tǒng)采用基礎(chǔ)設(shè)備層、連接層、物聯(lián)網(wǎng)平臺層、應(yīng)用層等結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，物聯(lián)網(wǎng)平臺層提供核心的物聯(lián)網(wǎng)自動數(shù)據(jù)采集功能，是實現(xiàn)礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成與共享的必要條件，應(yīng)用層能夠可視化展示設(shè)備狀態(tài)參數(shù)等。除此之外，根據(jù)金屬礦山生產(chǎn)業(yè)務(wù)特點，平臺通過大屏、組態(tài)等可視化形式直觀展示數(shù)據(jù)及工藝流程，協(xié)助實現(xiàn)企業(yè)智能化調(diào)度指揮，并逐步形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)與知識沉淀，提高信息傳遞、整合、輸出的精準(zhǔn)性和時效性?；谖锫?lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺架構(gòu)如圖1所示。

2.2 平臺功能設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺功能分為基礎(chǔ)支撐功能和礦山數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能，核心是實現(xiàn)生產(chǎn)裝備和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動采集以及生產(chǎn)工藝流程、自動化設(shè)備的可視化模擬?；A(chǔ)功能包括用戶管理、任務(wù)中心、系統(tǒng)管理以及監(jiān)控運維等。礦山數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能是針對礦山企業(yè)的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行定制化開發(fā)的功能，具體包括生產(chǎn)裝備數(shù)據(jù)自動化采集、生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備運轉(zhuǎn)模擬可視化展示等。該平臺以礦石流為主線，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、流轉(zhuǎn)、存儲、展示與分析功能，實現(xiàn)全流程數(shù)字化平臺建設(shè)。

2.2.1 基礎(chǔ)功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺具有基本通用功能，為礦山企業(yè)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理提供輔助支撐。部分功能簡介如下。

第一，用戶管理功能。該功能主要實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部人員的平臺用戶賬號、用戶權(quán)限、用戶角色等配置管理?；谖锫?lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化平臺是一個多用戶管理平臺，且多用戶之間的數(shù)據(jù)相互隔離，可通過用戶配置和用戶角色限制用戶的資源使用。

第二，任務(wù)中心功能。該功能是以周期時間為觸發(fā)器，設(shè)定各種定時任務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時采集、設(shè)備狀態(tài)定時控制等。

第三，系統(tǒng)管理功能。該功能是對平臺進(jìn)行基礎(chǔ)的系統(tǒng)設(shè)定，從而實現(xiàn)賬號、日志、菜單、組織、基礎(chǔ)信息維護(hù)以及角色權(quán)限等內(nèi)容的管理。

第四，監(jiān)控運維功能。該功能負(fù)責(zé)監(jiān)控、管理和維護(hù)物聯(lián)網(wǎng)平臺的運行狀態(tài)，確保平臺能夠穩(wěn)定、可靠地提供各項服務(wù)。例如，監(jiān)控平臺中各種生產(chǎn)裝備及其分布情況，及時監(jiān)控設(shè)備上下線記錄，及時發(fā)出警告并解決故障，幫助企業(yè)高效地管理和維護(hù)物聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)自動采集

礦山企業(yè)擁有龐大數(shù)量的生產(chǎn)裝備，其協(xié)議和數(shù)據(jù)類型難以統(tǒng)一，因此需要將礦山大量的生產(chǎn)裝備與采集系統(tǒng)進(jìn)行對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一與集成?；谖锫?lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺主要通過設(shè)備和產(chǎn)品的管理實現(xiàn)對生產(chǎn)裝備數(shù)據(jù)的自動化采集和數(shù)據(jù)集成。同時，將企業(yè)的數(shù)據(jù)信息集成在一個易于訪問的數(shù)據(jù)集成中臺內(nèi)，實現(xiàn)礦山信息資源的充分集成、規(guī)范加工、高效存儲及傳輸。物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)通過消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）、Modbus等協(xié)議與智能裝備或者可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）連接，實時采集礦區(qū)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)連接將數(shù)據(jù)上傳至超融合數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行持久化存儲，并在定制化的前端界面進(jìn)行實時可視化展示。

設(shè)備管理通過定義產(chǎn)品將同類型設(shè)備或相同生產(chǎn)場景進(jìn)行歸類定義，如充填、通風(fēng)、提升等子網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品具備相同的屬性、服務(wù)和事件等。該產(chǎn)品定義可支持多協(xié)議如MQTT、傳輸控制協(xié)議（Transmission"Control Protocol，TCP）、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）以及受限應(yīng)用協(xié)議（Constrained"Application Protocol，CoAP）等。同時，設(shè)備管理支持“添加設(shè)備”來連接網(wǎng)絡(luò)中的各種物理設(shè)備或傳感器，并支持更改設(shè)備配置信息，配置完成的設(shè)備可以通過物聯(lián)網(wǎng)平臺自動采集、傳輸、管理及監(jiān)控數(shù)據(jù)，從而為各種應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，滿足數(shù)據(jù)采集、存儲、加工、分發(fā)的管理需求。

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺規(guī)范化管理數(shù)據(jù)的對外發(fā)布與對外服務(wù)功能，明確數(shù)據(jù)的服務(wù)范圍和授權(quán)等級，規(guī)范數(shù)據(jù)調(diào)用行為、封裝標(biāo)準(zhǔn)，使得接口滿足生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互?；谖锫?lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺設(shè)備管理界面展示信息如圖2所示。

2.2.3 生產(chǎn)裝備、工藝模擬可視化

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺通過可視化的形式，實現(xiàn)了實體礦山全場景、全生產(chǎn)流程、全生產(chǎn)要素仿真效果。該平臺結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的需求，以礦石流、數(shù)據(jù)流為主線，融合礦山地質(zhì)資源、生產(chǎn)運營、感知監(jiān)測以及人員設(shè)備等數(shù)據(jù)，可視化展示生產(chǎn)裝備、工藝流程，以多維度、全方位地管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)，從而有效地監(jiān)控和管理整個礦山運行狀態(tài)[15]，為打造與實體礦山映射的數(shù)字“孿生”礦山建設(shè)提供有效支撐。

結(jié)合大部分礦山生產(chǎn)情況，基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺可視化建設(shè)主要涵蓋了采礦工藝、選礦工藝、供風(fēng)、通風(fēng)、運輸提升以及充填等通用生產(chǎn)環(huán)節(jié)。具體實施過程中，建立礦山井下和地表重點生產(chǎn)場景二維建模，并展示生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成虛擬可視化動畫場景，助力企業(yè)提升生產(chǎn)指揮能力。該平臺為礦山企業(yè)提供了直觀的可視化大屏，有助于企業(yè)實時監(jiān)控生產(chǎn)裝備的運行狀態(tài)和各項生產(chǎn)指標(biāo)，不僅便于企業(yè)快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題，還能讓生產(chǎn)調(diào)度人員和決策者更好地了解生產(chǎn)狀況，做出更加科學(xué)合理的決策，從而提高了企業(yè)的整體運營效率和管理水平。

3 平臺應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺在某集團(tuán)下屬礦山企業(yè)中實施部署并開展應(yīng)用。在滿足標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)同化、可視化、數(shù)字化基礎(chǔ)上，平臺建設(shè)力爭達(dá)到對生產(chǎn)全過程、全要素、全覆蓋的目標(biāo)，智能感知、采集及存儲生產(chǎn)中關(guān)鍵的過程裝備數(shù)據(jù)和環(huán)境變量，為應(yīng)用層的可視化系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)層設(shè)備數(shù)據(jù)通信奠定堅實基礎(chǔ)。在應(yīng)用層可視化系統(tǒng)中，從礦山作業(yè)工藝流程特點出發(fā)，模擬展示了生產(chǎn)工藝過程中的生產(chǎn)狀態(tài)，從設(shè)備角度出發(fā)，系統(tǒng)接入礦山礦井的主要設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，可視化監(jiān)控設(shè)備參數(shù)，提升了企業(yè)安全生產(chǎn)調(diào)度管控能力。平臺的可視化應(yīng)用系統(tǒng)界面效果如圖3所示。

4 結(jié)論

立足于礦山生產(chǎn)實的際需求，構(gòu)建了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山數(shù)字化管控平臺，旨在解決金屬礦山生產(chǎn)過程中存在的信息流延時、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成度低以及數(shù)據(jù)融合不充分等問題。該平臺的搭建，促使礦山生產(chǎn)的信息采集與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的充分結(jié)合，基于生產(chǎn)業(yè)務(wù)構(gòu)建智能服務(wù)和管理，為打造出一個安全、可靠的數(shù)字化礦山企業(yè)奠定堅實基礎(chǔ)。該平臺主要基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計，結(jié)合可視化的方式深入分析生產(chǎn)、環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)，有效提高了金屬礦山企業(yè)生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)監(jiān)管水平。礦山企業(yè)應(yīng)該在保證可持續(xù)發(fā)展的前提下，進(jìn)一步提高企業(yè)數(shù)字化、智能化建設(shè)水平，實現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，以更好地適應(yīng)未來礦山安全管理管發(fā)展方向，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)管理的全面智能化建設(shè)。

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